云南宣威地區是中國乃至世界肺癌的高發區，研究表明當地肺癌高發與當地燃煤方式致室內空氣污染密切相關。本研究針對宣威地區“開放式火塘”致室內空氣污染這一現狀，設計開發了室內空氣污染模擬系統，并建立了宣威地區煤煙塵致F344大鼠肺部損傷的模型。該模型基于室內空氣污染模擬系統，實現了信號多路控制和多路采集功能，并采用進程控制符(PID)算法對實驗中各測試點進行了多項式擬合，模擬出了可吸入細顆粒物(PM2.5)相對恒定的空氣污染狀態。結果表明，該系統能夠按照要求模擬出各種不同的空氣污染狀態，可為室內空氣污染對人體損傷的評價提供新的試驗方法，為研究宣威地區肺癌的發生提供了新思路。
引用本文： 楊加鵬, 黃云超, 資文華, 白云寶, 李光劍, 葉聯華, 周永春, 趙光強, 雷玉潔, 陳小波, 陳穎, 張艷軍. 基于宣威地區“開放式火塘”的實驗裝置研究. 生物醫學工程學雜志, 2016, 33(1): 101-107. doi: 10.7507/1001-5515.20160019 復制
引言
云南宣威地區是中國肺癌的高發區，肺癌發病率高達93/10萬人，位居全國第一[1]。既往研究表明，該地區肺癌高發與使用劣質的煙煤作為生活燃料有關[2]。此外，燃煤種類以及燃燒方式、燃燒條件也極其重要，其釋放的有害物質不盡相同[3]。宣威農村地區多使用“開放式火塘”進行做飯和取暖。“開放式火塘”是指農戶采用開放式“火塘”或敞開的燃煤爐，由于缺乏煙囪等通風裝置，室內煙塵濃度往往非常高[4]。這是造成室內污染的主要原因[5]。而室內空氣污染往往造成嚴重后果，短期暴露可導致肺部炎癥、肺損傷；長期暴露可造成慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)，甚至肺癌[6]。但目前對宣威當地煤煙塵暴露的肺損傷的量效評估尚不多見。8-羥化脫氧鳥苷(8-hydroxy-2′-deoxyguanosine,8-OHdG)是DNA損傷的中間產物，常用于氧化損傷的評價[7]。本研究模擬宣威地區農戶因燃煤產生的室內污染，建立動物模型，通過病理組織學檢查和8-OHdG檢測，探討室內污染與肺部損傷的量效關系，以期將來為宣威地區肺癌的發生提供研究方法。
1 實驗裝置結構
設計的實驗裝置由三部分組成，如圖1所示，設計裝置的實物圖如圖2所示。
圖1
煙塵暴露裝置示意圖
Figure1.
Schematic diagram of smoke exposure
圖2
暴露裝置實物圖
(a)進氣管道；(b)煙塵暴露箱；(c)“開放式火塘”；(d)動物承載網
Figure2. Exposure apparatus(a) intake duct; (b) dust exposure box; (c) “open fireplace”; (d) animal bearer network
1.1 煙塵發生與管道系統
煙塵發生裝置包括煤爐、煙煤等；管道系統包括進氣道、氣泵電機(SFG型低噪音節能管道通風機，r=15 cm，風量1 300 m3/h，全壓140 Pa)、廢氣排出裝置、電源等裝置；傳感器系統由紅外細顆粒物(fine particulate matter,PM2.5)傳感器(DN7C3JA001夏普)組成[8]。
1.2 控制系統
該系統以計算機為控制核心(51單片機)，包括控制顯示組件，由主控模塊(Arduino Nano V3.0、PID算法以及硬件電路)、總線接口模塊、電源模塊和人機交互模塊四部分組成。
1.3 動物實驗裝載系統
由動物實驗倉構成，模擬室內空間以及人所能接觸到的空氣層高度設計動物承載網。
2 系統控制原理
系統控制原理框圖如圖3所示。上位機與數據采集系統連接，發出控制信號，接收來自PM2.5傳感器的反饋信號，進行PM2.5均值計算；使用PID控制進行調節，使煤煙塵暴露箱內的PM2.5保持一定的狀態。信號調理電路分別與數據采集系統、電源電路、PM2.5傳感器與控制器相連接。在測定粉塵測試傳感器的精度時，連接好測試系統，風扇工作時，實時測定動物倉內的PM2.5，用紅外測定法同時對空氣進行采樣，送到數據采集處理系統。根據PM2.5的數值，有兩個PID控制器，一個是以PM2.5的值作輸入，風扇轉速作輸出，50 ms控制一次；另外一個PID控制器是風扇轉速控制器，50 ms控制一次，將上個PID控制器的輸出轉速作為輸入，進行閉環的轉速控制。使得實驗設備內能夠保持一個較為恒定的PM2.5濃度值。試驗數據實時顯示，并通過人機界面進行儲存。
圖3
控制原理圖
Figure3.
Control principle schematic
3 系統軟件算法設計
試驗主要采用了PID調節器對煤煙塵暴露箱內的PM2.5數值范圍進行控制。系統軟件算法設計圖如圖4所示，PID調節器是一種線性調節器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對煙塵的濃度進行控制。
圖4
軟件控制流程圖
Figure4.
Software control flow chart
3.1 PID調節器的微分方程
u(t)是控制器的輸出，e(t)是系統給定量與輸出量的偏差，Kp是比例系數，T1是積分時間常數，TD是微分時間常數。調節函數的微積分方程見于公式(1)
| $u(t)={{K}_{p}}[e(t)dt+{{T}_{D}}\frac{de(t)}{dt}]$ |
3.2 PID調節器傳遞函數形式
KP是比例系數，TI是積分時間常數，TD是微分時間常數。其相應傳遞函數見于公式(2)
| $G(S)={{K}_{P}}(1+\frac{1}{{{T}_{{{I}^{S}}}}}+{{T}_{{{D}^{S}}}})$ |
3.3 PID采樣控制系統算法
根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，利用外接矩形法進行數值積分，一階后向差分進行數值微分，當采樣周期為T時見于公式(3)
| ${{u}_{i}}={{K}_{P}}[{{e}_{i}}+\frac{T}{{{T}_{I}}}\sum\limits_{j=0}^{i}{{{e}_{j}}}+\frac{{{T}_{D}}}{T}({{e}_{i}}-{{e}_{i-1}})]$ |
如果采樣周期足夠小，這種離散逼近相當準確。上式中ui為全量輸出，它對應于被控對象的執行機構第i次采樣時刻應達到的位置，因此，上式稱為PID位置型控制算式[9]。
可以看出，按上式計算ui時，輸出值與過去所有狀態有關。當執行機構需要的不是控制量的絕對數值，而是其增量時，可導出下面的增量型PID控制算式見于公式(4)
| $\begin{align} & \Delta {{u}_{i}}={{u}_{i}}-{{u}_{i-1}}={{K}_{P}}[{{e}_{i}}-{{e}_{i-1}}+\frac{T}{{{T}_{I}}}{{e}_{i}}+\frac{{{T}_{D}}}{T}({{e}_{i}}-2{{e}_{i-1}} \\ & +{{e}_{i-2}})] \\ \end{align}$ |
4 基于宣威地區開放式“火塘”致室內空氣污染的實驗結果與分析
4.1 實驗方法
動物F344大鼠36只，剛離乳，重量(100±5) g，購自北京維通利華公司，昆明醫科大學第三附屬醫院飼養，環境溫度25 ℃,濕度70%。
4.2 主要材料與儀器
宣威地區老林煤礦C1煤層煙煤(云南省煤炭研究院提供)，空氣暴露裝置(自制)，光學顯微鏡(德國萊卡公司)，8-OHdG檢測ELISA試劑盒(購自江萊生物)。
4.3 實驗步驟
4.3.1 F344大鼠室內空氣污染至肺損傷模型的建立
36只F344大鼠分成兩組，對照組6只，模型組30只，每周暴露7 d，每天暴露2 h。將模型組F344大鼠置于密閉箱內，分別予以C1煤層煙塵暴露，模擬宣威地區的傳統燃煤方式，將煙塵通過卷風機卷入空氣暴露裝置內，維持暴露裝置在PM2.5 300~500 μg/m3；對照組大鼠維持在正常環境中飼養。
4.3.2 觀察F344大鼠的主支氣管、細支氣管、肺泡的病理變化
每月隨機處死對照組大鼠2只和模型組大鼠10只，取全血，取大鼠肺組織進行福爾馬林固定，石蠟包埋，切片，進行HE染色，對不同時間點的大鼠的肺組織標本用顯微鏡進行觀察。
4.3.3 對大鼠肺組織以及血清中的8-OHdG進行檢測
制作組織原漿，等全血完全凝固后進行1 500 r/min離心，去上清液，用ELISA法對大鼠的血清以及肺組織勻漿中的8-OHdG進行檢測。
4.4 統計學分析
對不同比例變化的結果進行統計學分析，對照組與模型組的病理組織之間差別采用方差分析，軟件采用SSPS 17.0軟件統計包，P＜0.05為差異有統計學意義。
4.5 結果
4.5.1 氣管的病理變化情況
如圖5所示，隨著煤煙塵暴露時間的延長，大鼠氣管出現不同程度細胞脫落[圖5(b)]，甚至出現黏膜層細胞壞死[圖5(c)]。
圖5
氣管上皮病理檢查圖片(HE染色，200×)
(a)對照組；(b)模型組暴露1個月；(c)模型組暴露3個月
Figure5. Pathological images of tracheal epithelium (HE stain,200×)(a) control group; (b) the model group was exposed for one month; (c) the model group was exposed for three months
4.5.2 細支氣管的病理變化情況
如圖6所示，隨著煙塵暴露時間的延長，細支氣管變形較為明顯[圖6(b)]，隨時間延長逐漸加重，細胞層次增多，核深染，3個月時模型組細支氣管周圍出現慢性淋巴濾泡[圖6(c)]。
圖6
細支氣管上皮病理檢查圖片(HE染色，200×)
(a)對照組；(b)模型組暴露1個月；(c)模型組暴露3個月
Figure6. Pathological images of bronchioles epithelium (HE stain,200×)(a) control group; (b) the model group was exposed for one month; (c) the model group was exposed for three months
4.5.3 肺泡的變化情況
如圖7所示，隨著煙塵暴露時間的延長，肺泡壁融合，肺泡間隔增寬，炎性細胞浸潤，碳沫沉著[圖7(b)(c)]，周圍細胞核深染，有一定異型性[圖7(c)]。
圖7
肺泡上皮病理檢查圖片(HE染色，200×)
(a)對照組；(b)模型組暴露1個月；(c)模型組暴露3個月
Figure7. Pathological images of alveolar epithelium (HE stain,200×)(a) control group; (b) the model group was exposed for one month; (c) the model group was exposed for three months
4.5.4 對照組和各模型組的8-OHdG的含量情況
對照組和各模型組的8-OHdG差異總體有統計學意義(P＜0.05)，隨著暴露時間的延長，8-OHdG 逐漸升高，各組別間兩兩比較差異均有統計學意義(P＜0.05)。同組間組織中含量與血清中含量，無統計學差異；模型組組織原漿中最高達(78.01±11.32) ng/L，血清中達(52.24±10.01) ng/L，具體結果如圖8所示。
圖8
各組大鼠血清和組織中8-OHdG含量
Figure8.
8-OHdG content in serum and tissues of rats
5 討論
本研究通過實驗設備的開發，建立了宣威肺癌高發區煤煙塵致F344大鼠肺損傷模型。研究結果提示：隨著煤煙塵暴露時間的延長，大鼠氣管出現不同程度細胞脫落，甚至黏膜層細胞壞死。原因可能與大量有害物質通過氣管進入肺組織有關。樊景森等[10]研究表明，宣威地區室內PM2.5較其他地方高。PM2.5有細胞毒性，通過物理成分、化學成分與免疫系統共同作用，造成黏膜細胞損傷[11]。李光劍等[12]對PM2.5成分進行分析，發現宣威地區煙煤燃燒后的底灰中硅(silicon,Si)、鋁(aluminum,Al)、鉛(plumbum,Pb)、砷(arsenic,As)元素質量百分比較其他地方高。這些物質一方面通過干擾細胞代謝損傷細胞；另一方面，這些細顆粒可以通過自由基，如羥基基團導致氧化損傷和細胞刺激相關聯的過渡金屬產生，最終與PM2.5一起造成細胞以及組織損傷[13]。本研究結果顯示，煤煙塵暴露使得細支氣管變形較為明顯，隨時間延長逐漸加重，細胞層次增多，核深染，3個月建模組在細支氣管周圍出現慢性淋巴濾泡。Pinkerton等[14]研究表明細支氣管對損害病變較為敏感，有害刺激物常常導致細支氣管變形，造成慢性炎癥和不同程度的細支氣管損傷。細支氣管變形以及慢性炎癥是肺慢性損傷的主要病理變化之一，可能與長期接受有害的細顆粒物刺激有關。而慢性炎癥往往伴隨著相當數量的癌癥[15]。本研究結果還顯示，煤煙塵暴露使得肺泡壁融合，肺泡間隔增寬，炎性細胞浸潤，炭黑沉著，周圍細胞有一定異型性。Brown等[16]研究表明，炭黑可以導致細胞的炎癥增加。此外，Baan等[17]研究提示炭黑有一定致癌作用。炭黑還可能與其他有害物質(重金屬、多環芳烴類以及細菌等微生物)共同作用，促進肺損傷的形成。
本研究表明：對照組和各模型組的8-OHdG差異總體有統計學意義(P＜0.05)，隨著暴露時間的延長，8-OHdG逐漸升高，各組別間兩兩比較差異亦有統計學意義(P＜0.05)。Valavanidis等[7]研究表明，8-OHdG是自由基誘導DNA氧化損傷的主要形式之一，并因此被廣泛用作氧化應激和癌變的生物標記物。基因突變是腫瘤發病的基礎[18]。肺組織中有不同程度的DNA氧化損傷，血清與肺組織中的8-OHdG變化相對同步，其可能成為煤煙肺損傷的預測指標。這些慢性損傷與炎癥通過細胞因子共同構成腫瘤微環境，可能對當地肺癌的高發起到了一定的作用[19]。這同時也表明肺損傷、慢性炎癥、肺癌之間可能存在著某種特定的聯系，有待進一步研究。
6 結論
我們自行設計了一種宣威地區開放式“火塘”致室內空氣污染暴露裝置。該裝置能夠精確控制煙塵中PM2.5的濃度，提高了實驗的穩定性、可靠性和可重復性；同時，構建了大鼠肺損傷模型。另外，安裝的排風設備能夠將實驗過程中產生的廢氣排入大氣，從而減少操作者的粉塵暴露。綜上所述，我們設計的宣威地區開放式“火塘”致室內空氣污染及煙塵暴露裝置不僅可用于煤煙粉塵，也可用于生物燃料、化石燃料，有利于評估燃料產物的安全性，具有有效、安全、可靠以及造價低廉等優點，值得推廣。
引言
云南宣威地區是中國肺癌的高發區，肺癌發病率高達93/10萬人，位居全國第一[1]。既往研究表明，該地區肺癌高發與使用劣質的煙煤作為生活燃料有關[2]。此外，燃煤種類以及燃燒方式、燃燒條件也極其重要，其釋放的有害物質不盡相同[3]。宣威農村地區多使用“開放式火塘”進行做飯和取暖。“開放式火塘”是指農戶采用開放式“火塘”或敞開的燃煤爐，由于缺乏煙囪等通風裝置，室內煙塵濃度往往非常高[4]。這是造成室內污染的主要原因[5]。而室內空氣污染往往造成嚴重后果，短期暴露可導致肺部炎癥、肺損傷；長期暴露可造成慢性阻塞性肺病(chronic obstructive pulmonary disease,COPD)，甚至肺癌[6]。但目前對宣威當地煤煙塵暴露的肺損傷的量效評估尚不多見。8-羥化脫氧鳥苷(8-hydroxy-2′-deoxyguanosine,8-OHdG)是DNA損傷的中間產物，常用于氧化損傷的評價[7]。本研究模擬宣威地區農戶因燃煤產生的室內污染，建立動物模型，通過病理組織學檢查和8-OHdG檢測，探討室內污染與肺部損傷的量效關系，以期將來為宣威地區肺癌的發生提供研究方法。
1 實驗裝置結構
設計的實驗裝置由三部分組成，如圖1所示，設計裝置的實物圖如圖2所示。
圖1
煙塵暴露裝置示意圖
Figure1.
Schematic diagram of smoke exposure
圖2
暴露裝置實物圖
(a)進氣管道；(b)煙塵暴露箱；(c)“開放式火塘”；(d)動物承載網
Figure2. Exposure apparatus(a) intake duct; (b) dust exposure box; (c) “open fireplace”; (d) animal bearer network
1.1 煙塵發生與管道系統
煙塵發生裝置包括煤爐、煙煤等；管道系統包括進氣道、氣泵電機(SFG型低噪音節能管道通風機，r=15 cm，風量1 300 m3/h，全壓140 Pa)、廢氣排出裝置、電源等裝置；傳感器系統由紅外細顆粒物(fine particulate matter,PM2.5)傳感器(DN7C3JA001夏普)組成[8]。
1.2 控制系統
該系統以計算機為控制核心(51單片機)，包括控制顯示組件，由主控模塊(Arduino Nano V3.0、PID算法以及硬件電路)、總線接口模塊、電源模塊和人機交互模塊四部分組成。
1.3 動物實驗裝載系統
由動物實驗倉構成，模擬室內空間以及人所能接觸到的空氣層高度設計動物承載網。
2 系統控制原理
系統控制原理框圖如圖3所示。上位機與數據采集系統連接，發出控制信號，接收來自PM2.5傳感器的反饋信號，進行PM2.5均值計算；使用PID控制進行調節，使煤煙塵暴露箱內的PM2.5保持一定的狀態。信號調理電路分別與數據采集系統、電源電路、PM2.5傳感器與控制器相連接。在測定粉塵測試傳感器的精度時，連接好測試系統，風扇工作時，實時測定動物倉內的PM2.5，用紅外測定法同時對空氣進行采樣，送到數據采集處理系統。根據PM2.5的數值，有兩個PID控制器，一個是以PM2.5的值作輸入，風扇轉速作輸出，50 ms控制一次；另外一個PID控制器是風扇轉速控制器，50 ms控制一次，將上個PID控制器的輸出轉速作為輸入，進行閉環的轉速控制。使得實驗設備內能夠保持一個較為恒定的PM2.5濃度值。試驗數據實時顯示，并通過人機界面進行儲存。
圖3
控制原理圖
Figure3.
Control principle schematic
3 系統軟件算法設計
試驗主要采用了PID調節器對煤煙塵暴露箱內的PM2.5數值范圍進行控制。系統軟件算法設計圖如圖4所示，PID調節器是一種線性調節器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量，對煙塵的濃度進行控制。
圖4
軟件控制流程圖
Figure4.
Software control flow chart
3.1 PID調節器的微分方程
u(t)是控制器的輸出，e(t)是系統給定量與輸出量的偏差，Kp是比例系數，T1是積分時間常數，TD是微分時間常數。調節函數的微積分方程見于公式(1)
| $u(t)={{K}_{p}}[e(t)dt+{{T}_{D}}\frac{de(t)}{dt}]$ |
3.2 PID調節器傳遞函數形式
KP是比例系數，TI是積分時間常數，TD是微分時間常數。其相應傳遞函數見于公式(2)
| $G(S)={{K}_{P}}(1+\frac{1}{{{T}_{{{I}^{S}}}}}+{{T}_{{{D}^{S}}}})$ |
3.3 PID采樣控制系統算法
根據采樣時刻的偏差值計算控制量，因此，利用外接矩形法進行數值積分，一階后向差分進行數值微分，當采樣周期為T時見于公式(3)
| ${{u}_{i}}={{K}_{P}}[{{e}_{i}}+\frac{T}{{{T}_{I}}}\sum\limits_{j=0}^{i}{{{e}_{j}}}+\frac{{{T}_{D}}}{T}({{e}_{i}}-{{e}_{i-1}})]$ |
如果采樣周期足夠小，這種離散逼近相當準確。上式中ui為全量輸出，它對應于被控對象的執行機構第i次采樣時刻應達到的位置，因此，上式稱為PID位置型控制算式[9]。
可以看出，按上式計算ui時，輸出值與過去所有狀態有關。當執行機構需要的不是控制量的絕對數值，而是其增量時，可導出下面的增量型PID控制算式見于公式(4)
| $\begin{align} & \Delta {{u}_{i}}={{u}_{i}}-{{u}_{i-1}}={{K}_{P}}[{{e}_{i}}-{{e}_{i-1}}+\frac{T}{{{T}_{I}}}{{e}_{i}}+\frac{{{T}_{D}}}{T}({{e}_{i}}-2{{e}_{i-1}} \\ & +{{e}_{i-2}})] \\ \end{align}$ |
4 基于宣威地區開放式“火塘”致室內空氣污染的實驗結果與分析
4.1 實驗方法
動物F344大鼠36只，剛離乳，重量(100±5) g，購自北京維通利華公司，昆明醫科大學第三附屬醫院飼養，環境溫度25 ℃,濕度70%。
4.2 主要材料與儀器
宣威地區老林煤礦C1煤層煙煤(云南省煤炭研究院提供)，空氣暴露裝置(自制)，光學顯微鏡(德國萊卡公司)，8-OHdG檢測ELISA試劑盒(購自江萊生物)。
4.3 實驗步驟
4.3.1 F344大鼠室內空氣污染至肺損傷模型的建立
36只F344大鼠分成兩組，對照組6只，模型組30只，每周暴露7 d，每天暴露2 h。將模型組F344大鼠置于密閉箱內，分別予以C1煤層煙塵暴露，模擬宣威地區的傳統燃煤方式，將煙塵通過卷風機卷入空氣暴露裝置內，維持暴露裝置在PM2.5 300~500 μg/m3；對照組大鼠維持在正常環境中飼養。
4.3.2 觀察F344大鼠的主支氣管、細支氣管、肺泡的病理變化
每月隨機處死對照組大鼠2只和模型組大鼠10只，取全血，取大鼠肺組織進行福爾馬林固定，石蠟包埋，切片，進行HE染色，對不同時間點的大鼠的肺組織標本用顯微鏡進行觀察。
4.3.3 對大鼠肺組織以及血清中的8-OHdG進行檢測
制作組織原漿，等全血完全凝固后進行1 500 r/min離心，去上清液，用ELISA法對大鼠的血清以及肺組織勻漿中的8-OHdG進行檢測。
4.4 統計學分析
對不同比例變化的結果進行統計學分析，對照組與模型組的病理組織之間差別采用方差分析，軟件采用SSPS 17.0軟件統計包，P＜0.05為差異有統計學意義。
4.5 結果
4.5.1 氣管的病理變化情況
如圖5所示，隨著煤煙塵暴露時間的延長，大鼠氣管出現不同程度細胞脫落[圖5(b)]，甚至出現黏膜層細胞壞死[圖5(c)]。
圖5
氣管上皮病理檢查圖片(HE染色，200×)
(a)對照組；(b)模型組暴露1個月；(c)模型組暴露3個月
Figure5. Pathological images of tracheal epithelium (HE stain,200×)(a) control group; (b) the model group was exposed for one month; (c) the model group was exposed for three months
4.5.2 細支氣管的病理變化情況
如圖6所示，隨著煙塵暴露時間的延長，細支氣管變形較為明顯[圖6(b)]，隨時間延長逐漸加重，細胞層次增多，核深染，3個月時模型組細支氣管周圍出現慢性淋巴濾泡[圖6(c)]。
圖6
細支氣管上皮病理檢查圖片(HE染色，200×)
(a)對照組；(b)模型組暴露1個月；(c)模型組暴露3個月
Figure6. Pathological images of bronchioles epithelium (HE stain,200×)(a) control group; (b) the model group was exposed for one month; (c) the model group was exposed for three months
4.5.3 肺泡的變化情況
如圖7所示，隨著煙塵暴露時間的延長，肺泡壁融合，肺泡間隔增寬，炎性細胞浸潤，碳沫沉著[圖7(b)(c)]，周圍細胞核深染，有一定異型性[圖7(c)]。
圖7
肺泡上皮病理檢查圖片(HE染色，200×)
(a)對照組；(b)模型組暴露1個月；(c)模型組暴露3個月
Figure7. Pathological images of alveolar epithelium (HE stain,200×)(a) control group; (b) the model group was exposed for one month; (c) the model group was exposed for three months
4.5.4 對照組和各模型組的8-OHdG的含量情況
對照組和各模型組的8-OHdG差異總體有統計學意義(P＜0.05)，隨著暴露時間的延長，8-OHdG 逐漸升高，各組別間兩兩比較差異均有統計學意義(P＜0.05)。同組間組織中含量與血清中含量，無統計學差異；模型組組織原漿中最高達(78.01±11.32) ng/L，血清中達(52.24±10.01) ng/L，具體結果如圖8所示。
圖8
各組大鼠血清和組織中8-OHdG含量
Figure8.
8-OHdG content in serum and tissues of rats
5 討論
本研究通過實驗設備的開發，建立了宣威肺癌高發區煤煙塵致F344大鼠肺損傷模型。研究結果提示：隨著煤煙塵暴露時間的延長，大鼠氣管出現不同程度細胞脫落，甚至黏膜層細胞壞死。原因可能與大量有害物質通過氣管進入肺組織有關。樊景森等[10]研究表明，宣威地區室內PM2.5較其他地方高。PM2.5有細胞毒性，通過物理成分、化學成分與免疫系統共同作用，造成黏膜細胞損傷[11]。李光劍等[12]對PM2.5成分進行分析，發現宣威地區煙煤燃燒后的底灰中硅(silicon,Si)、鋁(aluminum,Al)、鉛(plumbum,Pb)、砷(arsenic,As)元素質量百分比較其他地方高。這些物質一方面通過干擾細胞代謝損傷細胞；另一方面，這些細顆粒可以通過自由基，如羥基基團導致氧化損傷和細胞刺激相關聯的過渡金屬產生，最終與PM2.5一起造成細胞以及組織損傷[13]。本研究結果顯示，煤煙塵暴露使得細支氣管變形較為明顯，隨時間延長逐漸加重，細胞層次增多，核深染，3個月建模組在細支氣管周圍出現慢性淋巴濾泡。Pinkerton等[14]研究表明細支氣管對損害病變較為敏感，有害刺激物常常導致細支氣管變形，造成慢性炎癥和不同程度的細支氣管損傷。細支氣管變形以及慢性炎癥是肺慢性損傷的主要病理變化之一，可能與長期接受有害的細顆粒物刺激有關。而慢性炎癥往往伴隨著相當數量的癌癥[15]。本研究結果還顯示，煤煙塵暴露使得肺泡壁融合，肺泡間隔增寬，炎性細胞浸潤，炭黑沉著，周圍細胞有一定異型性。Brown等[16]研究表明，炭黑可以導致細胞的炎癥增加。此外，Baan等[17]研究提示炭黑有一定致癌作用。炭黑還可能與其他有害物質(重金屬、多環芳烴類以及細菌等微生物)共同作用，促進肺損傷的形成。
本研究表明：對照組和各模型組的8-OHdG差異總體有統計學意義(P＜0.05)，隨著暴露時間的延長，8-OHdG逐漸升高，各組別間兩兩比較差異亦有統計學意義(P＜0.05)。Valavanidis等[7]研究表明，8-OHdG是自由基誘導DNA氧化損傷的主要形式之一，并因此被廣泛用作氧化應激和癌變的生物標記物。基因突變是腫瘤發病的基礎[18]。肺組織中有不同程度的DNA氧化損傷，血清與肺組織中的8-OHdG變化相對同步，其可能成為煤煙肺損傷的預測指標。這些慢性損傷與炎癥通過細胞因子共同構成腫瘤微環境，可能對當地肺癌的高發起到了一定的作用[19]。這同時也表明肺損傷、慢性炎癥、肺癌之間可能存在著某種特定的聯系，有待進一步研究。
6 結論
我們自行設計了一種宣威地區開放式“火塘”致室內空氣污染暴露裝置。該裝置能夠精確控制煙塵中PM2.5的濃度，提高了實驗的穩定性、可靠性和可重復性；同時，構建了大鼠肺損傷模型。另外，安裝的排風設備能夠將實驗過程中產生的廢氣排入大氣，從而減少操作者的粉塵暴露。綜上所述，我們設計的宣威地區開放式“火塘”致室內空氣污染及煙塵暴露裝置不僅可用于煤煙粉塵，也可用于生物燃料、化石燃料，有利于評估燃料產物的安全性，具有有效、安全、可靠以及造價低廉等優點，值得推廣。
